FI77899B - Foerfarande foer framstaellning av vaerme- och korrosionsbestaendiga material. - Google Patents

Description

1 77899

Menetelmä lämmön- ja korroosionkestävien materiaalien valmistamiseksi

Kaasuturbiinien alalla ovat kehitykselle luonteen-5 omaista kohonneet moottorien lämpötilat. Tämä kehitys on tehnyt välttämättömäksi muuttaa esimerkiksi nikkelipoh-jaisten lejeerinkien koostumusta kohti hapettumista vastaan kestävien alkuaineiden, kuten kromin, pienempää pitoisuutta ja korkealämpötilakestävyyttä parantavien V-faa-10 seja muodostavien alkuaineiden, kuten alumiinin, suurempaa pitoisuutta. Vähän kromia sisältävien nikkelipohjäisten lejeerinkien kestävyys korkeassa lämpötilassa tapahtuvaa korroosiota vastaan on sitten säilytetty päällystämällä osat hapettumisenkeston parantamiseksi. Tavallisin pääl-15 lystetyyppi on ollut nikkelialuminidi, johon on lisätty kromia, piitä ja joskus platinaa. Päällyste saadaan aikaan muodostamalla pohjamateriaalille alumiinikerros kemiallisen höyrykerrostuksen avulla ja muodostamalla nikkelialuminidi jälkeenpäin tehtävällä diffuusiolämpökäsittelyllä.

20 Uudempana kehitysaskeleena on ollut "peittopäällys- teiden" ("overlay coatings") muodostaminen fysikaalisen höyrykerrostuksen, plasmasuihkutuksen tai vakuumiplasmasuih-kutuksen avulla. Näitä päällystetyyppejä kutsutaan usein MCrAlYsiksi koostumuksen, jossa M voi olla Fe, Ni, Co tai 25 NiCo, sisältämien alkuaineiden mukaan.

Ilmaus MCrAlY viittaa vain kemialliseen koostumukseen, eikä päällysteiden termodynaamiseen faasikoostumuk-seen. FeCrAlY:llä on ferriittinen tilakeskinen kuutiolli-nen (bcc) kiderakenne, joka on taipuisa, kun taas muilla 30 on pintakeskinen intermetallinen kuutiollinen (fcc) rakenne, joka on hauras.

Edellä mainituista kerrostusmenetelmistä fysikaalista höyrykerrostusta pidetään yleensä kalleimpana menetelmänä ja tavallista plasmasuihkutusta halvimpana. Taval-35 lista plasmasuihkutusta ei tähän asti ole käytetty niin 2 77899 usein kuin muita menetelmiä hintatekijästä huolimatta, koska muodostuneita oksideja pidetään haitallisina päällysteen ominaisuuksille. Tämä on ollut yhtenä syynä va-kuumiplasmamenetelmän, joka on tarkoitettu antamaan ok-5 sideista vapaa päällyste, kehittämiselle.

Edellä mainituista päällystekoostumuksista on FeCrAlY ollut tunnettu 1930-luvulta lähtien nimellä "Kant-hal", muut on kehitetty myöhemmin.

Tämä keksintö, joka on kiintoisa lentokonemoottorien 10 ja kaasuturpiinien kannalta, eroaa tavanomaisesta päällysteestä siten, että sen sijaan, että yritettäisiin välttää oksideja, joita enemmän tai vähemmän tahattomasti muodostuu päällystyksen aikana ja joita pidetään haitallisina, muodostetaan tarkoituksella päällyste, joka koostuu oksi-15 di- ja metallitaasihiukkasten seoksesta ja joka myöhemmillä käsittelyillä muutetaan päällysteeksi, jolla on yhtä hyvät tai paremmat ominaisuudet kuin puhtaasta metallista tehdyllä päällysteellä, jolla on sama metallifaasi-koostumus, sekä korroosion että lämmönjohto-ominaisuuk-20 sien suhteen. Tämän keksinnön ominaispiirteet käyvät ilmi liitteenä olevista patenttivaatimuksista. Kuvassa 3 esitetyt telinetestit vahvistavat sen, että tämän keksinnön tavoite on saavutettu. Testit vahvistavat myös sen, että plasmasuihkutettu lejeerinkikustannuksiltaan halpa FeCrAlY-25 päällyste on näissä olosuhteissa aivan yhtä hyvä ellei parempi kuin lejeerinkikustannuksiltaan kallis vakuumiplas-masuihkutettu CoCrAlY. Koska tilakeskinen kuutiollinen FeCrAlY-päällyste on taipuisampi kuin pintakeskiset inter-metalliset kuutiolliset päällysteet, voi se toimia myös 30 pohjustuspäällysteenä keraamisille päällysteille, jolloin sen etuna on se, että laajenemiskerroin on yli 30 % pienempi kuin pintakeskisen kuutiollisen päällysteen ja lähempänä keraamisten aineiden laajenemiskerrointa. FeCrAlY:n taipuisuus on etu myös ajateltaessa kestävyyttä matrii-35 si-päällyste-keraaminen aine-rajapinnoilla tapahtuvaa lämpöväsymistä vastaan.

3 77899

Korkeissa lämpötiloissa käytettävien lejeerinkien päällä olevia päällysteitä kuluttaa hitaasti metalliatomien diffuusio sisään- ja ulospäin sisämatriisin ja päällysteen rajapinnasta ja hapen ja rikin diffuusio ympäröi-5 västä ilmasta sisäänpäin. Päällysteen tehokkuutta voidaan arvostella sillä, miten kauan kestää, ennen kuin päällysteessä näkyy merkkejä penetraatiosta, kuten kuvassa 3 esitetään.

Kestovaatimukset vaihtelevat muun muassa moottorin 10 tarkastusten välisen ajan mukaan, joka voi olla 200-600 tuntia sotilaskoneiden suihkumoottoreilla, jopa 3000 tuntia siviilikoneiden suihkumoottoreilla ja vielä pitempi paikallaan olevilla kaasuturbiineilla.

Metalliatomien diffuusio nikkelipohjäisestä lejee-15 ringistä sen päällä olevaan CoCrAlY-NiCrAlY-tyyppiseen päällysteeseen ei yleensä muuta päällysteen kiderakennetta. Jos kuitenkin annetaan nikkelin diffundoitua ferriitti-seen FeCrAlY-päällysteeseen, tapahtuu faasimuutos bcc:stä fcc:ksi, ja päällyste menettää taipuisuuttaan. Matriisin 20 pinnan kanssa samansuuntaiset oksidikerrokset muodostavat esteitä nikkeliatomien diffuusiolle ja hidastavat bcc-ra-kenteen muuttumista fcc:ksi.

Matriisimetallin, esimerkiksi nikkelipohjäisen lejee-ringin, päällystäminen fysikaalisen höyrykerrostuksen avul-25 johtaa epitaksiseen kasvuun (suorassa kulmassa pintaan nähden). Saatu rakenne sisältää pitkiä huokosia, niin kutsuttuja "juonia" ("leaders"), jotka kulkevat matriisin ja päällysteen rajapinnasta ulospäin. Nämä juonet suurentavat hapen ja rikin diffuusionopeutta palokaasuista sisäänpäin 30 matriisimetallia kohden. Plasmasuihkutettu päällyste sisältää myös huokosia, mutta tässä tapauksessa enemmän tason suuntaisia. Kummassakin tapauksessa huokosten sulkeminen pienentää päällysteiden hapettumis- ja sulfidisaationopeut-ta. Huokosten sulkeminen on välttämätöntä kaksifaasisen me-35 talli-metallioksidipäällysteen toiminnan kannalta. Kuvat 1 , 77899 4 ja 2 osoittavat, että huokosten sulkeminen on mahdollista vaikuttamatta oleellisesti haitallisesti oksidien morfologiaan. Päällysteen ja matriisin rajapinnalla tapahtuu jonkun verran faasimuutoksia sulkemisprosessin aikana 5 tapahtuvan diffuusion vuoksi. Sulkemisprosessille on eduksi, jos se voidaan tehdä lämpötilassa alle 1000°C tai vielä alemmassa lämpötilassa.

Tavallisen plasmasuihkutuksen (ei vakuumiplasma-suihkutuksen) aikana jauheessa olevat alumiini, yttrium 10 ja kromi hapettuvat. Metallijauheen koostumus tulee säätää sopivaksi hapettuvien alkuaineiden suhteen, niin että valmiin päällysteen metallifaasin koostumus vastaa korroosion kestoltaan parhaan mahdollisen lejeeringin koostumusta. Tämä vaatii sen, että metallijauheessa on vähintään 2 % enem-15 män alumiinia kuin päällysteen metallifaasissa. Tyypillinen FeCrAlY-koostumus on loppuosa Fe:a, 20 % Cr:a, 9 % AI:a ja 1,5 % Y:a. Päällysteen metallioksidipitoisuutta voidaan vaihdella sisällyttämällä enemmän tai vähemmän nappikaasua plasmaan tai sekoittamalla plasmajauheeseen keraamisia hiuk-20 kasia.

Keksinnön päämääränä pidentää korkeita lämpötiloja kestävien päällysteiden käyttöikää ja minimoida niiden aiheuttamat kulut. Tämä tehdään sarjalla toimenpiteitä, joiden tarkoituksena on vähentää haitallista diffuusiota ai-25 heuttamatta systeemin mekaanisten ominaisuuksien vakavaa heikkenemistä tai kohtuutonta kulujen kasvua. Elleivät mainitut toimenpiteet ole riittäviä vaaditun käyttöiän saavuttamiseksi, voidaan päällystettä parantaa ottamalla käyttöön vielä toinen metallien diffuusiosulku, nimittäin 30 matriisin ja FeCrAlY-päällysteen välissä oleva tantaali- kerros. Lejeeringillä IN 738 tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että homogenoitaessa lejeerinkiä tantaalin diffuusio on vähäistä. Tantaali muodostaa korkeissa lämpötiloissa stabiileja metallienvälisiä yhdisteitä tai seoksia 35 kaikkien alkuaineiden Ai, Co, Fe, Ni, Cr ja Y kanssa ja on i 5 77899 erityisen soveltuva estämään diffuusiota FeCrAlY:sta koboltti- tai nikkelipohjäiseen lejeerinkiin tai päinvastoin. Kootaksemme yhteen parannetun korkealämpötilapäällysteen aikaansaamisessa pienin kustannuksin käytettävät erilai-5 set vaiheet, ne ovat: - Metallipäällyste korvataan metalli-metallioksidipäällys-teellä, kaksifaasisella metallista ja keraamisesta aineesta koostuvalla päällysteellä, joka levitetään plasmasuih-kutuksella. Keraamisten aineiden morfologia on sellainen, 10 että se suurentaa metalliatomien diffuusioetäisyyksiä päällysteen ja matriisin rajapinnasta komponentin pintaan.

- Edellä mainittu periaate toimii kaikilla MCrAlY-päällys-teillä, mutta taipuisan ferriittisen FeCrAlY-lejeeringin käyttö tekee mahdolliseksi sekoittaa päällysteeseen enem- 15 män metallioksideja, jolloin diffuusioetäisyydet kasvavat vielä enemmän, eikä kuitenkaan saada liian haurasta päällystettä, joka olisi liian herkkä lämpöväsymiselle.

- Hapen ja rikin diffuusiomahdollisuuksia päällysteen läpi pienennetään sulkemalla päällysteen sisällä olevat huoko- 20 set. Näitä huokosia on muodostunut plasman suihkutuksen aikana. Huokosia voidaan tuskin välttää plasmasuihkutuk-sella levitettävässä kaksifaasisessa metalli-metallioksidi-päällysteessä. Sulkeminen voidaan saada aikaan isostaattisella kuumapuristuksella, mutta myös muut mekaaniset mene-25 telmät ovat mahdollisia.

- Metalliatomien mahdollisuuksia diffundoitua matriisime-tallista FeCrAlYriin, mikä muuttaa faasirakennetta bccistä hauraammaksi fccrksi, voidaan vähentää edelleen tuomalla tantaalikerros matriisin ja FeCrAlY-päällysteen väliin.

30 Tämä parantaa päällysteen mekaanisia ominaisuuksia erityisesti lämpöväsymisen suhteen. Metallien diffuusion suhteen tantaali toimii myös muilla MCrAlY:illä, mutta etu ei todennäköisesti ole niin suuri.

- Kaikki edellä mainitut operaatiot edistävät päällysteen 35 odotettavissa olevan käyttöiän asteettaista pidentymistä.

c 77899

Kulut vastaan odotettavissa oleva ikä ratkaisee tantaali-kerroksen välttämättömyyden.

- Pieniin kuluihin päästään käyttämällä yksinkertaista menetelmää, plasmasuihkutusta, päällysteen levitykseen ja 5 metallifaasina FeCrAlYrtä, jossa lejeerinkialkuaineet ovat halpoja.

- Yhteensopivuus keraamisten päällysteiden kanssa sekä me-talli-oksidifaasin että bccpFeCrAlY-metallin fcc-MCrAlY: ihin verrattuna alemman laajenemiskertoimen suhteen ja 10 FeCrAlY:n suuri taipuisuus pidentää odotettavissa olevaa käyttöikää keraamisilla päällysteillä, joiden pohjustuksena on parannettu FeCeAlY-päällyste.

Tämän keksinnön etuja valaisevat tarkemmin liitteenä olevat valokuvat ja diagrammit, joista 15 kuv. 1 esittää plasmasuihkutettua FeCrAlY-päällys- tettä, johon on sisällytetty oksidia; kuv. 2 esittää kuvan 1 päällystettä huokosten mekaanisen sulkemisen jälkeen; kuv. 3 esittää telinekokeiden tuloksia; ja 20 kuvat 4-6 ovat diagrammeja, jotka esittävät lejee- ringin alkuaineiden kumulatiivisia tiheyksiä sen jälkeen, kun lejeerinkiä IN 738 on homogenoitu 1180°C:ssa 128 tuntia. 10Q pisteen satunnaisskannaus.

Kuvan 3 telinetestit tehtiin polttotelineessä NPL: 25 ssä, Teddington, Englanti, 300 tuntiin asti.

Päällysteet: 1-2. CoCrAlY, pienpaineplasmasuihkutettu.

3-4. FeCrAlY (pieni Al-pitoisuus). Oksidit poistettu sulattamalla uudelleen. Hiotut näytteet.

30 5. Sama kuin 3-4, mutta hiomattomat näytteet.

6. Sama kuin 3-4, testausaika 139 tuntia.

7. Sama kuin 6, testausaika 308 tuntia.

8. FeCrAlY (suuri Al-pitoisuus), sulatettu uudelleen oksidien poistamiseksi, pää suojaamaton, 220 tuntia.

35 9. Sama kuin 8, pää suojattu, 308 tuntia.

i 7 77899 10. FeCrAlY (suuri Al-pitoisuus), uudelleensulatettu.

11. FeCrAlY (pieni Al-pitoisuus), huokoset suljettu.

12. FeCrAlY (suuri Al-pitoisuus), huokoset suljettu.

13. FeCrAlY, fysikaalinen höyrykerrostus.

5 14. FeCrAlY, fysikaalinen höyrykerrostus happea syöttäen.

15-16. Nikkeli-aluminidi, sisältää platinaa.

17. Päällystämätön matriisilejeerinki IN 738.

Claims (10)

1. Menetelmä lämmön- ja korroosionkestävien materiaalien valmistamiseksi päällystämällä materiaali tyyp- 5 piä MCrAlY, jossa M on Fe, Ni, Co tai NiCo, olevalla le- jeeringillä, tunnettu siitä, että päällyste muodostetaan plasmasuihkuttamalla lejeerinkimetallijauhetta kontrolloidun happisyötön läsnäollessa ja siitä, että plasma-suihkutettu jauhe sisältää ylimäärin Ai:a ja/tai Cr:a 10 ja/tai Y:ia lopulliseen lejeerinkikoostumukseen nähden, jolloin tietty määrä jauheesta hapettuu, niin että saatavalla päällysteellä on kaksifaasirakenne, joka koostuu me-tallifaasista, jonka koostumus on MCrAlY, ja oksidiker-roksista, jotka ovat enemmän tai vähemmän yhdensuuntaisia 15 materiaalin pinnan kanssa ja estävät metallien tai lämmön diffuusion kerrosten paksuuden suuntaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että happea syötetään kaasuna ja/tai oksidi jauheena. 2Q

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että plasmajauhe sisältää vähintään 2 % enemmän Ai:a kuin tuotetun päällysteen metalli-faasin muodostava lejeerinki.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, t u n-25 n e t t u siitä, että plasmasuihkutettu jauhe sisältää

5. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuotetulle päällysteelle levitetään keraaminen päällyste, esimerkiksi

30 ZrC^-päällyste.

6. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että plasmasuihkutettu materiaali, jolle on mahdollisesti levitetty keraaminen päällyste, puristetaan kuumana isostaattisesti suojetussa 35 tilassa, mikä parantaa päällysteiden adheesiota ja diffuu- 9 77899 siotiheyttä.

7. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että materiaalille levitetään tantaalikerros ennen plasmasuihkutusta.

7. Ai:a.

8. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että oksidit tai muut soveltuvat keraamiset materiaalit sekoitetaan jauheeksi ennen plasmasuihkutusta.

8 77899

9. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-8 mukainen 10 menetelmä, tunnettu siitä, että plasmasuihkutuk-sen avulla muodostetun päällysteen metallifaasi koostuu FeCrAlY:stä.

10 77899